Flexible Sensoren für Gesundheit und Bioanalytik

Es besteht ein zunehmender Bedarf an Gesundheitssensoren, die Daten bequem über einen längeren Zeitraum erfassen können. Die Erhebung von Daten nahe oder direkt am lebenden Organismus stellt eine besondere Herausforderung dar. Die Sensoren müssen unter komplexen und veränderlichen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Die meisten der heute verwendeten Sensoren sind recht unförmig und die Anschlusstechnik für das Auslesen der Sensordaten ist komplex.

In Zukunft werden Sensoren tragbar, flexibel und mit organischer Substanz kompatibel sein. Auf diesem Weg hin zu flexiblen (Bio-) Sensoren stellen wir uns einer Reihe komplexer, interdisziplinärer Fragestellungen. Bei der Konzeption innovativer Lösungen ist das kombinierte Knowhow der Werkstoffkunde, der Prozesstechnik, der Life Sciences und der Biotechnologie gefragt.

Zur Entwicklung flexibler (Bio-) Sensorgen gilt es, u.a. folgende Herausforderungen zu meistern:

  • neue Sensormaterialien (z.B. funktionalisierte Polymere, Keramiken etc.)
  • neue Formgebungen (z.B. in der Prozesstechnik)
  • hochstrukturierte Sensorschichten (z.B. mit spezifischen Funktionsoberflächen)
  • Sensoroberflächen (z.B. mit spezifischen chemischen Affinitäten)
  • Sensoreigenschaften (z.B. günstig, tragbar, zuverlässig)
  • einfache Verbindungstechnik (z.B. elektrisch, optisch etc.)
  • langfristige Verträglichkeit für den Träger (Biokompatibilität)

Unser Ansatz lautet wie folgt:

  • Wir begegnen diesen Herausforderungen mit einem interdisziplinären Netzwerk aus internen und externen Partner.
  • Dabei gehen Grundlagenforschung und angewandte Forschung Hand in Hand.
  • Mit diesem interinterdisziplinären Wissen steuern wir die Funktionen von Materialien für die Entwicklung spezifischer Sensoren.

Schaukasten ausgewählter Kompetenzen:

Wir entwickeln physikalische und chemische Sensoren mit polymeroptischen Fasern, Nanofasern oder Hydrogelen als Substrate. Die Modifikation des Substrats mit sensitiven Anteilen (z.B. Fluorophoren, Chromophoren) oder einfach die Integration in Textilien ermöglicht den Nachweis von Gasen, Flüssigkeiten, Biomolekülen, Körper Vitalparametern und Mikroorganismen. Die Detektion erfolgt durch Änderungen der Lichtintensität, Wellenlänge und/oder Fluoreszenzintensität.

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Image: Boesel, Luciano Luciano.Boesel@empa.ch

Zur Untersuchung der Adsorption von Makromolekülen auf einer Oberfläche, z.B. Proteinadsorption, haben wir einen optischen Sensor entwickelt, der bei der Bildung eines Adsorbats die Zunahme des Strahlengangs misst. Das Prinzip basiert auf der Transmission von originärem Weisslicht, das durch die Dünnschichtinterferenz modelliert wird. Hier handelt es sich um den sogenannten Transmission Interferometrical Adsorption Sensor (TInAS) (2007, Heuberger, Balmer). Vor kurzem haben wir begonnen, die Kombination der Leerlaufpotentialmessung (OCP) und TInAS zu erforschen. Die zeitliche Korrelation von gleichzeitig gemessener adsorbierter Masse und Oberflächenpotentialänderung erlaubt tiefere Einblicke in die Strukturveränderungen an der Grenzfläche während des Adsorptionsprozesses.

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Neuartiges Fluidzellen-Design, das TInAS in der Transmissions- und Leerlaufpotentialmessung an bis zu 8 Positionen gleichzeitig kombiniert. Der Dünnfilmsensor kann unterschiedliche Elektrodenformen aufnehmen. In diesem Beispiel wurden nur 2 von 8 Elektroden berührt. Image: Heuberger, Manfred (Manfred.Heuberger@empa.ch) Heuberger, M. and T. Balmer (2007). "The Transmission Interferometric Adsorption Sensor." Journal of Physics D: Applied Physics 40: 7245-7254.

CMOS-kompatible Silizium-Nanodrähte (SiNWs), die als ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs) betrieben werden, können als chemische und biochemische Sensoren fungieren. In diesen Geräten wird das Gate-Metall des Transistors durch die Lösung ersetzt, die die Analytspezies trägt. Die Reaktionen von geladenen Analyten mit Ligandengruppen an der Sensoroberfläche bewirken eine Veränderung des elektrischen Oberflächenpotentials am Gate-Kontakt. Diese Änderung des Oberflächenpotentials wird als Verschiebung der Transistor-Transferfunktion erkannt und kann quantitativ mit der Anzahl der adsorbierten Analyten in Beziehung gesetzt werden.

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Links: Chipträger mit 48 gebondeten Si-Nanodrähten. Rechts: Schematische Darstellung eines Bindezyklus mit einer typischen Sensorantwort. Die Assoziation der Proteine mit den Oberflächenliganden erfolgt bei Injektion und Dissoziation beim Wechsel in den laufenden Puffer. Messung: Transport at Nanoscale Interfaces Laboratory. Wipf, M., Stoop, R.L., Navarra, G., Rabbani, S., Ernst, B., Bedner, K., Schönenberger, C., Calame, M. (2016). Label-Free FimH protein interaction analysis using silicon nanoribbon bioFETs. ACS Sensors 1 (6), 781-788. http://doi.org/10.1021/acssensors.6b00089